李仁飛， 高文峰， 劉滔， 林文賢

（云南師范大學(xué) 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進技術(shù)與制備重點實驗室，云南 昆明650092）

家用太陽能熱水器根據(jù)集熱器的不同，主要分為平板型和真空管型兩種類型.全玻璃真空管太陽能熱水器因其生產(chǎn)成本低廉、運行穩(wěn)定、應(yīng)用地域廣等優(yōu)點，已成了國內(nèi)太陽能熱水器的主流產(chǎn)品，其市場份額占國內(nèi)太陽能熱水器市場的90%以上［1－2］.在對家用熱水器熱性能研究中，許多學(xué)者已做了大量的工作，其中，管祚堯等［3］分析了日有用得熱量Q17判斷熱水系統(tǒng)性能的優(yōu)點.魏鳳等人［4］分析了太陽輻照量、環(huán)境風速和溫度對系統(tǒng)得熱量和熱損的影響規(guī)律，得出日有用得熱量Q17主要受日輻照量和風速的影響.馬迎昌等人［5］對熱水系統(tǒng)的日有用得熱量Q17的實驗影響條件做了研究.殷志強等人［6］對環(huán)境和測量不確定度對太陽熱水器能效等級遷移的影響做了分析和研究，得出日平均環(huán)境溫度不同會引起系統(tǒng)能效等級的遷移.劉雪平等人［7］對家用太陽能熱水器的兩種得熱量測試方法做了對比研究，得出排水法測得的日有用得熱量Q17略高于混水法.

日有用得熱量Q17是判斷家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能好壞的重要參數(shù)之一，主要是按國家標準GB／T18708［8］作為熱性能測試方法，GB／T19141［9］作為測試依據(jù)，GB／T26969［10］則是利用前兩個標準為基礎(chǔ)，對測得產(chǎn)品的熱性能參數(shù)按一定的計算方法計算得到熱水器的能效值并規(guī)定了能效等級.目前現(xiàn)行有效的 GB／T19141－2011是在GB／T19141－2003的基礎(chǔ)上修訂的，在對熱性能參數(shù)測試要求上，GB／T19141－2003中要求當天8個小時的累計太陽輻射量≥17MJ／m2，而GB／T19141－2011只要求當天8個小時的累計太陽輻射量≥16MJ／m2.但實際測試時，累計太陽輻射值變化較大，以昆明為例，實際可測得的累計太陽輻射值約在16～26MJ／m2.因此，有必要對不同輻照條件下家用熱水器的日有用得熱量進行研究，并和折算成標準要求輻照條件下的日有用得熱量進行對比.

本文對同一套真空管家用太陽能熱水器系統(tǒng)在輻照量不同、而其他測試條件相近的情況下的測試結(jié)果進行了分析，為真空管太陽能熱水器的標準制定及修訂和企業(yè)對產(chǎn)品性能的測試與分析提供一些有益參考.

1 試驗裝置及測試方法

1.1試驗裝置

本試驗采用國內(nèi)市場常見的緊湊式全玻璃真空管太陽能熱水器為測試對象，該熱水器所用真空管數(shù)為20管，正南放置，傾角為45°，采光面積為2.45m2，水箱容水量為140.5L.檢測設(shè)備為TRM－2型太陽能熱水器熱性能測試系統(tǒng)，各測量儀表均按期進行過校準，測試所用傳感器相關(guān)參數(shù)見表1.測試地點位于云南師范大學(xué)太陽能研究所樓頂，測試時間從2012年12月16日到2013年3月16日.

表1 太陽能熱水系統(tǒng)性能測試儀參數(shù)Table 1 The parameters of performance testing equipment for solar water heating system

1.2 試驗方法

根據(jù)GB／T 18708－2002的要求，系統(tǒng)日得熱量的測試方法采用混水法［6］進行，具體步驟及方法如下：

系統(tǒng)工作8小時后用篷布遮擋起來，啟動水泵，以400～600L／h的流量，將貯熱水箱內(nèi)的水循環(huán)起來直至貯熱水箱內(nèi)部的水溫均勻，保持5min以使上貯熱水箱入口溫度的變化保持在±0.2℃，采用數(shù)據(jù)采集儀記錄水箱內(nèi)上中下三個測溫點的溫度tb，三個測溫點的平均值即為真空管集熱系統(tǒng)試驗結(jié)束時貯熱水箱內(nèi)的水溫te，則貯熱水箱內(nèi)水的體積為Vs時所含的得熱量Qs，應(yīng)用式（1）進行計算：

ρ—水箱中水的密度，kg／m3；

С—水的比熱容，J／（kg·℃）；

Vs—水箱的容水量，m3；

te—熱水器集熱8小時，混水均勻后水箱內(nèi)三個測溫點的平均溫度，即終止溫度，℃；

tb—開始測試前，混水均勻后水箱內(nèi)三個測溫點的平均溫度，即起始溫度，起始溫度在（20±0.2）℃以內(nèi)，℃；

用公式（1）計算得到的日得熱量QS來計算日有用得熱量Q17，計算公式為［7］

式中H為測試8小時的累計輻照量，MJ／m2；

系統(tǒng)的日平均效率定義為

1.3 系統(tǒng)的能效測試及計算

根據(jù)國標GB 26969－2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)按（3）式計算［8］：

CTP—家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)；

Q17（e）—GB／T 19141－2011試驗條件下測試與計算，相當于日太陽輻照量為17MJ／m2所得的家用太陽能熱水系統(tǒng)單位輪廓采光面積日有用得熱量，MJ／m2；

Q17（m）—GB／T 19141－2011規(guī)定的家用太陽能熱水系統(tǒng)單位輪廓采光面積日有用得熱量的通過最小值，MJ／m2；

α—權(quán)重系數(shù)，表示平均熱損因數(shù)在家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)中的權(quán)重，在國標中a取0.9；

USL（e）—試驗條件下測試所得的家用太陽能熱水系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)，W／（m3·K）；

USL（m）—GB 26970－2011規(guī)定的家用太陽能熱水系統(tǒng)的最大平均熱損因數(shù)，W／（m3·K）.

2 試驗條件

為了減小試驗中環(huán)境條件所帶來的誤差，試驗均按照 GB／T 19141－2011［7］中太陽能熱水系統(tǒng)的試驗測試條件進行：

水箱內(nèi)起始溫度：（20±0.2）℃；

累計日太陽輻照量≥16MJ／m2；

日平均環(huán)境溫度范圍：8～30℃；

平均風速≤4m／s.

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)測試要求，對同一套真空管熱水器系統(tǒng)，在達到測試要求后，測得多天系統(tǒng)的起始溫度、終止溫度、日環(huán)境溫度范圍和累計輻照量.為了減小環(huán)境條件的影響，試驗數(shù)據(jù)盡可能選取在晴朗天氣狀況下、起始時間盡量一致、輻照波動不大、單天試驗數(shù)據(jù)線性相關(guān)性較好的數(shù)據(jù).表2為采用混水法測試和計算得到的具有代表性的試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）和（2）計算得到系統(tǒng)的日得熱量和日有用得熱量.

表2 試驗數(shù)據(jù)及日有用得熱量計算Table 2 Experimental data and calculation of daily useful energy

從日得熱量的計算公式和系統(tǒng)的熱平衡方程可以看出，假定水的密度、比熱容、涂層的參數(shù)和系統(tǒng)的熱損等在整個實驗過程中為定值，則日得熱量與水箱的體積、起始溫度和終止溫度有關(guān)，對于同一臺真空管熱水器，體積是不變的，所以只與起始溫度、終止溫度和輻照有關(guān)，本試驗中，控制起始溫度在（20±0.2）℃以內(nèi)，所以日得熱量只受輻照量、風速和環(huán)境溫度的影響.

3.2 試驗對比及分析

從圖1可以看出，在試驗時間段內(nèi)，其他測試條件相近，起始溫度在（20±0.2）℃以內(nèi)，測試累計輻照量從16.810MJ／m2增加到25.722MJ／m2，水箱內(nèi)測試終止溫度隨輻照量從50.1℃增加到67.9℃，增量為17.8℃，系統(tǒng)的終止溫度隨累計輻照量增加而增加.

由最小二乘法，利用試驗數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的效率計算公式（4）擬合得到系統(tǒng)的日得熱量與累計輻照量的關(guān)系如圖2.從圖2可看出：累計輻照量從16.81MJ／m2增加到25.72MJ／m2，日得熱量從7.98MJ增加到11.52MJ，增加了約4.34MJ，說明在測試要求H≥16MJ／m2的測試條件下，累計輻照量對系統(tǒng)的日得熱量的影響較大，且系統(tǒng)日得熱量隨累計輻照量的變化關(guān)系利用最小二乘法擬合得到的曲線斜率為0.44，標準偏差為0.001，可以忽略不計，曲線斜率即為系統(tǒng)的日平均效率η.通過多天試驗數(shù)據(jù)計算得到系統(tǒng)的日平均有用得熱量為7.49MJ，通過效率公式計算系統(tǒng)的日有用得熱量為7.48MJ.效率曲線通過原點，說明系統(tǒng)的日得熱量與累計輻照量存在著線性關(guān)系，可以通過多天的試驗測試數(shù)據(jù)計算得到的日有用得熱量的平均值作為最終測試結(jié)果，以減小試驗帶來的誤差.

圖1 水箱溫度與累計輻照量關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature of the tank and cumulative irradiation

圖2 日得熱量與累計輻照量關(guān)系Fig.2 Relationship between daily energy and cumulative irradiation

根據(jù) GB／T 19141－2011［7］中日有用得熱量的計算，利用試驗數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)日得熱量及日有用得熱量.系統(tǒng)日得熱量和日有用得熱量與累計輻照量的關(guān)系如圖3.

從圖3分析可知，隨著累計輻照量的增加日有用得熱量總體趨勢基本不變，在測試累計輻照范圍內(nèi)，日得熱量增量為4.34MJ，當累計輻照量到17MJ／m2時，日得熱量和日有用得熱量很接近.說明累計輻照量對系統(tǒng)的日有用得熱量的影響基本可以忽略，總體上系統(tǒng)的日得熱量與測試累計輻照量呈線性關(guān)系.對于累計輻照量從17 MJ／m2降到16MJ／m2的情況，對系統(tǒng)的日有用得熱量的影響不是很大，說明熱水系統(tǒng)的測試條件累計輻照量下限的修訂對系統(tǒng)的測試結(jié)果的影響很小，可以適當?shù)亟档蜏y試條件輻照量.說明新國標對測試條件的修改是合理的.從圖和試驗數(shù)據(jù)分析來看，太陽累計輻照量在達到測試最低要求16MJ／m2后，隨累計輻照量的增加，系統(tǒng)的測試結(jié)果更理想.

圖3 系統(tǒng)日得熱和日有用得熱量與累計輻照量關(guān)系Fig.3 Relationship between daily energy＆daily useful energy of system and cumulative irradiation

從試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果中可以得出，總體上日得熱量隨累計輻照量的增加而呈線性關(guān)系，線性擬合得到的斜率即為系統(tǒng)的效率，但試驗過程中，高累計輻照量所對應(yīng)的日有用得熱量不一定高于低累計輻照量所對應(yīng)的日有用得熱量，從試驗的條件和文獻［2］分析是由于環(huán)境溫度、風速等測試條件雖然盡量保持相近但還是有一些不同造成的.

圖4 能效系數(shù)和日有用得熱量關(guān)系Fig.4 Relationship betwe enenergy efficiency coefficient and daily useful energy

由圖4和能效系數(shù)的計算分析可知，系統(tǒng)的能效系數(shù)隨日有用得熱量的增加而增加，但增幅不是很大，不會引起系統(tǒng)能效等級的變化.且在本試驗中，假定多天測試中系統(tǒng)的熱損是相同的，系統(tǒng)的能效系數(shù)就只與系統(tǒng)的日有用得熱量有關(guān)，從理論和試驗結(jié)果得出，系統(tǒng)的能效系數(shù)和系統(tǒng)的日有用的熱量存在線性關(guān)系.通過試驗和理論分析得出，達到測試條件后，累計日輻照量的變化對系統(tǒng)的日有用得熱量和能效系數(shù)的影響很小基本可以忽略不計.

4 結(jié) 論

通過對全玻璃真空管熱水器系統(tǒng)在不同輻照條件下的多天試驗研究發(fā)現(xiàn)：在達到測試要求后，不同的累計輻照量對系統(tǒng)的日有用得熱量的影響可以忽略，但總體來說，在累計輻照量相對較高情況下，系統(tǒng)的日得熱量比較理想.具體結(jié)果如下：

（1）在達到系統(tǒng)測試條件后，累計輻照量越高，系統(tǒng)測試的終止水溫越高，系統(tǒng)的日得熱量越高，系統(tǒng)的日有用得熱量隨累計輻照量的變化呈線性關(guān)系.

（2）累計輻照量H≥17MJ／m2與H≥16MJ／m2的不同測試條件對系統(tǒng)的日有用得熱量的影響不大，說明熱水系統(tǒng)的測試條件累計輻照量下限的修訂對系統(tǒng)的測試結(jié)果的影響很小，可以適當放寬測試條件輻照量.因此國標中累計輻照量的測試要求的修改是合理的.同時對熱水系統(tǒng)的測試天氣條件有所降低.

（3）根據(jù)試驗測試結(jié)果分析，起始溫度、日環(huán)境溫度范圍、累積輻照、風速、熱損、平均環(huán)溫等因素都會影響系統(tǒng)的日有用得熱量和能效系數(shù)，因此為了減小誤差在做熱水器測試時應(yīng)盡量選擇晴天條件下的多天測試的日有用得熱量的平均值作為最終的測試結(jié)果.

［1］何梓年.太陽能熱利用［M］.合肥：中國科學(xué)科技大學(xué)出版社，2009.

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［3］管祚堯，王建偉.“日有用得熱量”測試探討［J］.太陽能，2004 （4）：41－42.

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［5］馬迎昌，周玲，馬光柏.對日有用得熱量試驗條件的實驗研究［J］.太陽能，2011（14）：46－48.

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［7］劉雪平，高文峰，許玲，等.平板型立式水箱太陽熱水器兩種得熱量測試方法對比研究［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，31（4）：36－40.

［8］GB／T 18708－2002，家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法［S］.

［9］GB／T 19141－2011，家用太陽熱水系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［10］GB 26969－2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級［S］.